5G技術(shù)在智慧高速中的應(yīng)用研究

王 鑫

陜西交通控股集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710065

0 引言

隨著交通強(qiáng)國建設(shè)新征程的開啟，在新機(jī)遇與新挑戰(zhàn)并存的形勢下，通過智慧化、數(shù)字化提升改造，充分利用“5G”“互聯(lián)網(wǎng)+”“大數(shù)據(jù)”“云技術(shù)”“物聯(lián)網(wǎng)”“人工智能”等新一代信息技術(shù)，統(tǒng)籌協(xié)調(diào)人、車、路、環(huán)境各要素，建設(shè)“智能、快速、綠色、安全”的智慧高速公路已經(jīng)成為高速公路管理單位的重要使命。

1 智慧高速現(xiàn)狀

智慧交通是合理調(diào)度人、車、路、環(huán)境等要素，結(jié)合新一代感知、計(jì)算、通信和控制技術(shù)，將高新技術(shù)有效集成到公路機(jī)電領(lǐng)域，以實(shí)現(xiàn)道路管理智慧化、交通工具智慧化及出行方式智慧化的系統(tǒng)性工程。目前，我國智慧高速的建設(shè)水平普遍偏低，不能滿足現(xiàn)代運(yùn)營管理的需求，主要表現(xiàn)在如下。

（1）感知內(nèi)容少，數(shù)據(jù)不全面。高速公路路面信息感知多依賴于斷面式ETC門架傳感器采集信息，設(shè)施架設(shè)范圍覆蓋不足，監(jiān)測數(shù)據(jù)范圍相對(duì)受限，無法實(shí)現(xiàn)信息的實(shí)時(shí)采集，無法全面感知道路信息。

（2）感知手段少，響應(yīng)速度慢。感知手段智能化程度低，當(dāng)出現(xiàn)交通事故、拋灑、逆行、擁堵等異常狀態(tài)時(shí)，往往在事件發(fā)生后無法第一時(shí)間掌握現(xiàn)場狀況，處置相對(duì)滯后，降低了響應(yīng)速度和指揮效率。

（3）數(shù)據(jù)共享不到位，預(yù)測分析能力差。高速公路設(shè)施、路側(cè)設(shè)施、機(jī)電系統(tǒng)彼此獨(dú)立，數(shù)據(jù)共享整合不到位，存在信息孤島，信息利用率低。同時(shí)，缺乏與車輛數(shù)據(jù)、交通控制數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)之間的融合，對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的快速高性能計(jì)算分析和實(shí)時(shí)處理能力較弱，無法提供預(yù)警、智慧出行服務(wù)。

（4）業(yè)務(wù)不聯(lián)動(dòng)，協(xié)同不密切。各路段運(yùn)行與養(yǎng)護(hù)間缺乏聯(lián)動(dòng)，同一業(yè)務(wù)跨路段、跨路網(wǎng)的協(xié)同不密切，聯(lián)合指揮調(diào)度能力弱。因缺乏全面感知的數(shù)據(jù)，無法對(duì)事件展開溯源，無法確定問題癥結(jié)，導(dǎo)致無法實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)化管控以及無法提供統(tǒng)一、高效、自動(dòng)化的管理與服務(wù)。

2 5G技術(shù)現(xiàn)狀

2019年6月6日，以中華人民共和國工業(yè)和信息化部發(fā)放5G商用牌照為標(biāo)志，我國正式進(jìn)入5G商用時(shí)代。5G通信技術(shù)的廣泛應(yīng)用為龐大的信息基礎(chǔ)設(shè)施帶來革命性升級(jí)。與此同時(shí)，人工智能技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算等技術(shù)的快速發(fā)展、共同融合，與5G通信技術(shù)構(gòu)成新的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施。

國際電信聯(lián)盟（ITU）對(duì)5G的概念從兩個(gè)方面做了定義：（1）8項(xiàng)標(biāo)志性能力指標(biāo)：移動(dòng)性、網(wǎng)絡(luò)能量效率、用戶體驗(yàn)速率和峰值速率、連接密度、時(shí)延、流量密度；（2）一組關(guān)鍵技術(shù)：MIMO、NS、SDN、NFV等。相比于傳統(tǒng)的通信技術(shù)，增強(qiáng)移動(dòng)寬帶（eMBB：Enhance Mobile Broadband，高帶寬）、低時(shí)延高可靠（uRLLC: Ultra-reliable and Low Latency Communications，低時(shí)延）、海量大連接（mMTC: Massive Machine Type Communication，廣連接）是5G作為新一代通信技術(shù)的主要特征，如圖1所示。

圖1 5G技術(shù)的主要特征應(yīng)用場景

3 基于5G的智慧高速場景與案例

3.1 用于實(shí)現(xiàn)高速公路的低功耗大連接場景

高速公路的快速發(fā)展，對(duì)5G低功耗多連接場景需求迫切。隨著全國撤銷省界收費(fèi)站實(shí)現(xiàn)自由通行，以及全國視頻云聯(lián)網(wǎng)的全面應(yīng)用，路測的感知設(shè)備幾何指數(shù)上升，也為5G的全面應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。交通數(shù)據(jù)具有小數(shù)據(jù)包、低功耗、海量連接等特點(diǎn)，這也使得高速公路數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化應(yīng)用成為可能。

（1）路網(wǎng)全域感知。依托5G技術(shù)和ETC技術(shù)，對(duì)路網(wǎng)內(nèi)的機(jī)電設(shè)備，交通事故、道路施工、隧道監(jiān)測等道路信息，氣象信息，車輛信息等進(jìn)行全量動(dòng)態(tài)采集，整合數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)路網(wǎng)信息全息感知。深圳外環(huán)高速通過多功能智能桿的建設(shè)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)高速公路上的人、車、路、環(huán)境等相關(guān)公共交通數(shù)據(jù)進(jìn)行車道級(jí)高精度采集，以及亞秒級(jí)動(dòng)態(tài)化刷新，車道級(jí)精準(zhǔn)交通感知及亞秒級(jí)路網(wǎng)動(dòng)態(tài)復(fù)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)道路路網(wǎng)實(shí)時(shí)精確監(jiān)測，有效降低人力成本，提高路網(wǎng)運(yùn)力。

（2）重點(diǎn)車輛監(jiān)測。在路網(wǎng)全息感知的基礎(chǔ)上，對(duì)重點(diǎn)車輛（“兩客一?！保┻M(jìn)行軌跡感知，實(shí)時(shí)監(jiān)測重點(diǎn)車輛是否按照預(yù)定行駛路線、時(shí)間及限定車速行駛，實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)車輛智能化管控，以最大程度消除安全隱患。國內(nèi)部分高速公路管理單位通過建設(shè)“兩客一?！避囕v動(dòng)態(tài)監(jiān)管系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)重點(diǎn)車輛的動(dòng)態(tài)全程監(jiān)管。對(duì)危險(xiǎn)品運(yùn)輸業(yè)務(wù)全鏈條進(jìn)行監(jiān)管，車輛的出發(fā)狀態(tài)、裝貨地點(diǎn)、到達(dá)站點(diǎn)、精準(zhǔn)運(yùn)輸路線等信息自動(dòng)上傳系統(tǒng)，管理單位或物流企業(yè)通過北斗終端、車內(nèi)感知設(shè)備，對(duì)危貨車輛與駕駛員進(jìn)行直接管控[1]。

（3）高速公路邊坡滑坡實(shí)時(shí)監(jiān)測。高速公路邊坡監(jiān)測是重要的管理需求，通過先進(jìn)的傳感器對(duì)高速公路邊坡的地質(zhì)松動(dòng)、細(xì)小位移進(jìn)行監(jiān)測，尤其是5G網(wǎng)絡(luò)可以將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)精準(zhǔn)采集、態(tài)勢分析，對(duì)高速公路管理單位提供地質(zhì)災(zāi)害智能分析、及時(shí)預(yù)警、異常報(bào)警，滿足監(jiān)管部門對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施安全監(jiān)測需求。國內(nèi)有部分高速公路管理單位通過“5G+北斗高精度定位”融合應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了智慧邊坡監(jiān)測。

3.2 用于實(shí)現(xiàn)高速公路低時(shí)延高可靠應(yīng)用場景

5G相比于傳統(tǒng)通信技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)低時(shí)延高可靠場景的應(yīng)用，尤其是針對(duì)交通這種特殊場景，可以提供毫秒級(jí)的端到端服務(wù)，極大地提升了業(yè)務(wù)可靠性。

（1）車路協(xié)同自動(dòng)駕駛。駕駛員踩剎車的反應(yīng)速度為0.4 s，經(jīng)過測試，無人車在5G技術(shù)支持下，反應(yīng)速度不到1 ms。因此，在高速或者超高速場景下，時(shí)速為500 km的通信技術(shù)已經(jīng)無法滿足實(shí)際需求。通過車內(nèi)、車與車、車與路、車與人、車與服務(wù)的全方位互聯(lián)和數(shù)據(jù)交互，武漢經(jīng)開區(qū)的 5G 自動(dòng)駕駛示范項(xiàng)目依托5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)、5G智慧道路及多領(lǐng)域融合軟件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了我國規(guī)模最大的開放道路示范區(qū)項(xiàng)目。

（2）遠(yuǎn)程駕駛。遠(yuǎn)程駕駛在特殊場景的應(yīng)用非常廣泛，通過無人系統(tǒng)與5G結(jié)合，可解決例如有毒、高溫、高輻射等惡劣危險(xiǎn)環(huán)境下作業(yè)難題。在工作環(huán)境惡劣的施工場景中，利用5G低時(shí)延、高可靠的能力，駕駛員在異地對(duì)施工車輛進(jìn)行遠(yuǎn)程駕駛操控，可以一人操作多臺(tái)設(shè)備，提高施工作業(yè)效率，減少人力成本，還可以提高安全系數(shù)，有效保障作業(yè)人員安全[2]。

（3）車輛編隊(duì)行駛。利用5G技術(shù)結(jié)合北斗定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)車輛編隊(duì)行駛，編隊(duì)車輛通行過程提供數(shù)據(jù)通信和傳輸服務(wù)，車隊(duì)的實(shí)時(shí)狀態(tài)管理，在編隊(duì)行駛狀態(tài)下，通行指令可瞬間發(fā)送至編隊(duì)全部車輛，整個(gè)編隊(duì)形成智能體，能夠有效降低車輛安全事故，同時(shí)車輛編隊(duì)行駛可以維持較小的安全間隙，某種程度上提高了高速公路運(yùn)行量，可明顯緩解交通壓力。

3.3 用于實(shí)現(xiàn)高速公路高帶寬的連續(xù)覆蓋

通過5G實(shí)現(xiàn)高速公路高帶寬連續(xù)覆蓋是目前城市主干交通中熱點(diǎn)區(qū)域的需求，例如高流量的交通樞紐、核心服務(wù)區(qū)、大的收費(fèi)站等車輛密集場景，為通行車輛和人員提供高速數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，滿足網(wǎng)絡(luò)高流量密度的需求。

（1）視頻事件檢測。交通運(yùn)輸部要求高速公路視頻聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測，提出了可視、可測、可控、可服務(wù)等要求。利用5G高帶寬的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)高速公路全網(wǎng)視頻實(shí)時(shí)聯(lián)網(wǎng)、精準(zhǔn)分析，主要包括車輛實(shí)時(shí)監(jiān)測、高速公路異常事件檢測、路網(wǎng)通行狀況監(jiān)測、天氣狀況監(jiān)測、路網(wǎng)態(tài)勢分析和事件監(jiān)測報(bào)警。在5G技術(shù)的支撐下，車速、車輛類型、車流密度、通行流量、擁堵長度、交通事故、施工占道情況、非法停車等、路面異物、積水、天氣狀況等均可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)精準(zhǔn)監(jiān)測[3]。

（2）智慧服務(wù)區(qū)。高速公路服務(wù)區(qū)開展VR+視頻業(yè)務(wù)應(yīng)用，可以立體、實(shí)時(shí)查看前方道路的擁堵事件、原因和處理過程，根據(jù)實(shí)際情況，決定下一步出行路線選擇還是在服務(wù)區(qū)休息等待。同時(shí)可以在休息區(qū)通過VR設(shè)備觀看超高清賽事直播、沉浸式演出等文化娛樂活動(dòng)，實(shí)現(xiàn)游戲社區(qū)、建模仿真、平行世界虛擬社交等侵入式交互體驗(yàn)。

4 結(jié)束語

智慧高速是今后交通公路領(lǐng)域的發(fā)展方向之一，也是一個(gè)復(fù)雜生態(tài)系統(tǒng)，與5G技術(shù)的融合會(huì)加速高速公路的轉(zhuǎn)型升級(jí)，為智慧高速提供海量數(shù)據(jù)協(xié)同、實(shí)時(shí)智能分析、精準(zhǔn)定位等功能，將極大地推動(dòng)智慧高速公路建設(shè)應(yīng)用，不斷促進(jìn)綜合大交通的發(fā)展，助力早日實(shí)現(xiàn)交通強(qiáng)國。